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对浮生须臾的人类来说,地球46亿年的浩瀚历史,无疑是一部充满震撼的长镜头。有太多封存在时光深处的场景,足以冲击我们最极限的想象力。就比如说,你能脑补出整个地球被全体冰封时的样子吗?很可惜,这不是特效大片也不是魔幻现实,而是可能发生在七亿年前的真实场景。

在这段时期,整个地球近乎被冻成了个宇宙大雪球。从极地到赤道,地球的表面全部被冰盖所遮覆。干燥的空气磨蚀着苍凉的陆地,广袤的大洋被全部冻结,哪怕你站在热带,感受到的也是今日南极的温度;脚跨赤道,看到的也不外乎是一片晶莹的苍白。没错,这就是新元古代的“雪球事件”(SEE, The Snowball Earth Event),整个地球46亿年的极寒纪元。

雪球印象

雪球事件发生在距今七亿年前。七亿年,在历史的长河中,实在是一个颇为尴尬的节点。对地球诞生的原点来说,它足够漫长。40亿年的光景,早已让地球演化成了一个成熟的行星,它有了板块构造,有了稳定的大气,有了遍布海洋的简单生命,一切看上去早已井然有序;然而,对于站在时空这头的我们,七亿年又显得足够遥远,遥远到比寒武纪生物大爆发还要早上两亿年。那个时候,不仅恐龙们的中生代是遥遥无期的未来,甚至连三叶虫和角石也尚未登上地球舞台,只有蓝藻等单细胞动物,统治着当时那尚未喧嚣的海洋。它们在广阔的潮坪上安静地栖息,随着潮涨潮落,堆叠起韵律般的纹层。这些层层叠置的藻类遗迹,是后世唯一可以回溯至此的生命印记。

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【七亿年前的雪球地球。图片来源:news.discovery.com】

虽然尚不热闹,但元古代的这幅光景,好歹洋溢着一颗宜居带内的星球该有的生机与活力。然而,全球冰川就这么突如其来地尘封了一切。先是从两极开始,冰川逐渐向低纬度进军,直至把热带的暖风与浪花,全部凝固在肃杀的极寒中。尽管无法直接目睹当时的环境巨变,但我们能够在遥远的太空中,找到当时地球大致的形貌。欧罗巴(Europa),木星的第二颗卫星,一颗围绕着巨人旋转的晶莹小球。与我们印象中多数坑坑洼洼的灰色星体不同,木卫二有着一袭淡蓝而细腻的表层,那是它冰质的外壳。这颗遥在5亿公里开外的异星,却是七亿年前我们自己的温暖家园,或曾表现出来的样子。

雪球事件一如鬼魅般来去匆匆,在元古代末期留下印记后,便马上消失在一如既往的温暖中。在此后数亿年的时光里,它再也未曾重现,以至于人们直接用此次事件来命名地球历史上这段非同寻常的时期。成冰纪(The Cryogene),三个肃杀的字眼,形象地提醒着人们,这生机勃勃的地球上曾有过一段冰雪漫布的纪元,在彼时,冰川遍布四海;在彼时,赤道白雪皑皑。

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【雪球地球(上)与木卫二(下),它们身处不同的时间与不同的空间,展现的却是一副高度相似的场景。 图片来源:www.bbc.co.uk; photorator.com】

七亿年前的往事拼图

人们究竟是靠什么线索,断言出当时的地球就是这么一个宇宙级的大雪球呢?靠岩石。沧海桑田、往事不复,只有岩石的残片,是唯一能够穿越时空,将尘封的往事保留至今的星球遗迹。

作为岩石王国里的环境指示物,沉积岩——由地表沉积物压实固结而形成的岩类——是反应当时地表环境的直观快照。一层层的沉积岩,构成地层;一套套地层,又构成大陆表面直接披覆的“外皮”。所谓大陆,不外乎是蓝海中一座座庞大的“移动方舟”,它们会漂移、会裂解、也会在偶然的时段,合众为一。今天你脚下大地所处的位置,可能与千万年前大径相庭。除了位置不一样,大陆表面的环境也在无时不刻地改变着。这也是为什么哪怕你站在干旱的内陆,也同样有机会找到浅海贝壳的原因。

大陆漂移在这颗星球上延续了数十亿年,但科学家们却有一套完善的方式,揭示出大陆上的每一块沉积岩形成于何时、何地、以及何种环境,并以此来还原大陆漂移和环境变迁的历史:利用层序律和同位素时钟,他们能够确定出地层形成的年代;利用沉积岩中含磁矿晶的排列方位,他们能够还原出大陆当时所处的纬度。岩石的结构与构造,可以揭露沉积物生成的环境;而地层间的叠置关系,则记录着环境的演化与变迁。时间、地点、环境,当所有的铺垫都已到位,剩下的,就看怎么把遥不相及的残片,拼合为一个完整的叙事了。

在全球的各个大陆上,都或多或少地残留着元古代地层的遗迹。从苏格兰到纳米比亚,从澳州腹地到中国三峡…..当人们追溯这些属于7亿年前形成的地层时,发现它们基本上都残留着冰川曾经覆盖过的痕迹:这些沉积岩有着浅海波浪所形成的、独特而细腻的纹层,但在这些纹层中,却又截然分布着硕大的冰积巨砾。在外动力地质作用中,除了冰川外,大概没有什么外力能够如此偶然地把完全不属于一个水动力量级、甚至来源也截然不同的沉积物,放置到正常情况下完全不该它出现的环境里了。这样的构造,往往出现在高纬度地区。但是通过古纬度还原,却发现7亿年前这些地层根本不是高纬度的极区特产,而几近覆盖了从极地到赤道的全部地域。就这样,对“岩石古卷”的破译,最终把两个看上去风马牛不相及的词汇——赤道和冰川——活生生地凑到了一起。

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【雪球事件的野外证据:被冰川携带的巨砾,突兀地砸入稳定沉积的地层。图片来源:legacy.earlham.edu】

来自五洲四海的更多数据,最终拼合成了一幅明晰而又生动的画卷:一个遍布着冰雪的白色地球。当故事的尘埃已经落定,科学家的焦点,便放到了背后推手的位面。不要太乐观,因为接下来所发生的一切,似乎是一个必然注定的死局。

死局

什么是死局?是所有不利因素偏偏在同一时刻出现,聚为合力?抑或是因果相连,形成一个愈加严峻的反馈链?很不幸,当时的地球,似乎把这两者都占了。

先说说合力的使然吧。一切的始作俑者似乎还在于大陆漂移。古纬度还原表明,在当时的地球上,各个板块已经聚合为联合大陆,处于中低纬度区间。由于大陆的表面是岩石,相较于大洋,对太阳光的反照率(Albedo)要强得多,而低纬度,偏偏又是地球接受太阳光最多的区域。陆地增加的直接后果,便是单位时间内整个地球系统获得的太阳能更少了。地表的温度输入主要靠阳光。“净收入”变少,是全球变冷的第一推力。

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【反照率增加的形象表示。随着中低纬度地区陆地面积的增加,地球反照阳光的量越来越大,使得整个地球系统获得的太阳能愈发减少。图片来源:www.nicerweb.com; squidonice.wordpress.com】

地表之上,还有个大气层。温度的输入是一回事,但维持又是另一回事。地表温度的维持主要靠温室气体——比如二氧化碳(CO2)等对太阳能的锁定。大量陆地聚集到低纬度,对大气CO2的含量是一个极为负面的影响因素。热带降雨活跃、大气潮湿,导致大陆岩石圈风化作用空前活跃。在风化作用中,大气中的O2、CO2、H2O等成分被消耗,并随着生成物进入岩石圈,从而退出大气循环。当大气中“净流通”的二氧化碳等温室气体减少,温室效应便随之减弱。环境的温度逐步降低,冰川一步步生成并扩大,冰期就在这样的递减中,悄然而至了。

到了冰川扩大的时候,事情就变得更加不可挽回了,冰川本身便是上述合力的结果,但更可怕的是——它本身,却恰恰是全球持续变冷最有效的诱因。回到反照率这个概念上。说到反射太阳光,无论海水也好、岩石也罢,又有谁能跟晶莹的冰雪相比?另一方面,当水体扩大结冰,蒸发会越来越少,大气中能够维持温度的湿润水汽也骤然下降。反照率的激增和蒸发率的骤减,直接将冷室效应带入了一个持续堆栈的死循环。环境学模拟表明,当地球表面有一半被冰覆盖的时候,全球冻结将成为不可逆转的趋势——换句话说,一个冰雪满布的全球,将会成为这个链式反应的末端,必然出现的结局。

每一个因素里,似乎都找不到破局的希望。合力和死循环牢牢压制着构成雪球的每一方面因子。未来将走向何方呢?还好,我们本身便生活在一个毫无悬念的未来里。现在的问题是,谁又是当时地球的破冰者呢?

不是太阳,也不是撞击的天体,而是地球自己。不要忘了,这是一颗有着活跃内动力的热行星。而这份终将表现出来的力量,叫做火山作用。

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【这样的冰盖,在当时的全球,似乎是司空见惯的事情。图片来源:www.earthtouchnews.com; www.newscientist.com】

逃离永恒之冬

火山的及时救援,让地球从全面的凝结中,苏醒了回来。

在今人眼里看来,那种被称为极端火山作用(Extreme volcanism)的事件,无疑是生物圈的灭绝级大杀器。在显生宙历史上,只要把这个障碍搬出来,生物圈几乎必然要用一次大灭绝来交卷。我们熟知的那场二叠纪末大灭绝(>90%海洋物种灭绝殆尽),就是5.4亿年来最漂亮的杰作。然而在此时,这个让生物圈闻风丧胆的武器,却成了把死局盘活,把地球从雪球中拯救出来的功臣。当然,就像对付生物圈那样,对付冰雪的套路其实也没什么新鲜的:两者,都不是靠岩浆的温度来直接烘烤什么,而是靠输出气体来间接改变大气圈的成分。

当时那些被封进岩石圈,从而退出大气循环的温室气体们大概不会忘记,地球本身——其实是一个更加庞大的循环系统。锁进岩石圈?不要紧。岩石还要在板块构造的循环中被带回地幔里头呢。当岩石的枷锁融化为流动的岩浆,气体,也就重获了自由。随后,只用等火山作用适时打开重归地表的通道,这些溶于岩浆的挥发分(Volatile),便会随着汹涌的热流一道,回到久违的大气层了。地表二氧化碳不是被消耗了吗?从地球内部再放出来一些就是了。

雪球时期,由于大量冰盖的影响,全球的岩石风化率进入了一个历史低位,地表温室气体的消耗因素几乎“触底”。此时,火山作用的净输入便显得尤为突出了。火山持续溢气,大气中的温室气体越聚越多,当它们的比例重新丰富到足以封存阳光,使平均温度能够重回冰点之上时,“白地球”便开始融化了。久违的蓝海出现,生命的家园复苏。然而始料未及的是,在经历“冬眠”后,生物圈的反应似乎远远超乎了元古代长期以来所表现出的样子。一个从雪球中醒来的生物圈,将要给地球带来多大的变革呢?

极寒终末 苏醒世界

埃迪卡拉——寒武。哪怕今日,也很难有人能彻底说清楚这段时间的地球,究竟孕育着怎样的疯狂。在经历雪球事件之后,生物圈几乎获得了一场迸发式的发展。长久以来被单细胞生物所统治的时空,随着雪球事件的结束而一并瓦解。多细胞的复杂生命,辐射性地扩展到了地球的每一个角落。从埃迪卡拉动物群的诞生到寒武纪生命大爆发,复杂生物的全方位铺张,直接完成了地球历史宙(Eon)一级的更替。隐生时代结束了,地球进入了它的第四宙级——显生宙(The Phanerozoic)。生命从此成为地球的“显学”。这5.4亿年,是我们自己的故事,生命见证了一个个优势类群的崛起,也见证了惨不忍睹的绝灭。高山依然在隆升和剥蚀,海洋也依然在扩张和闭合,但是,唯有那神秘的雪球,却再也没有重回世间。

未来,地球还会出现雪球事件吗?老实说,不知道。尽管我们无法预测那么长远的未来,但不妨让我们对文明自身的抵御机制报一份谨慎的乐观。毕竟这是人类的时代。就算雪球归来,这颗星球也早已不再是单细胞的世界,而是文明与智慧的家园。自然的变数、未来的文明,在两者之间,命运的天平到底将倾向何处?在把筹码押给人类之前,至少我不希望看到,当生态灾难的魅影开始出现时,有人指着它说,瞧,这是我们自己,一手酿成的灾难。

虽然对于地球本身来说,人类也好、雪球也罢,终归也都不是什么大问题。

备注

本文所谓的雪球事件特指发生在新元古代、资料详实程度最完善的一次。科学界有声音认为在前寒武纪历史上曾发生过数次雪球事件,比如太古代时期的休伦大冰河。由于这些事件涉及到太阳系早期更复杂的模型,比如弱日悖论(The Faint-Young-Sun Theory),与后期稳定环境下的灾变差异较大,故不在此文叙述范围内。

原文发表于果壳网《雪球事件:冰封全球的亘古极寒》,编辑:Ent

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6 Responses to “雪球事件——冰封全球的极寒纪元”

  1. hzh说道:

    说明温室气体还是有好处的,没准儿就是因为现在温室气体排放太多,所以现在才不是冰河世纪。

  2. alb11p说道:

    区区三百万年的人类史、五千年上下的文明史、三百年的现代史,人类就狂妄了,误以为是46亿年的地球主宰了,肆意糟蹋的是自己依赖的生存环境。地球听到笑了,打个寒战,生物全部中断。

  3. fierycloud说道:

    被冰大量覆盖时,如果让地球速度变快或变慢的状况,不晓得是否会造成地球各地曲率的变化(比如说变圆一点,或变椭圆一点),使地表出现破裂... ...

  4. Illusiwind说道:

    those don't kill me, make me stronger.
    原来寒武纪前还有这么一个时期。

  5. 匿名说道:

    奇妙的地球